Р РТ
Занятие 15-1. Пожарная безопасность процессов нагревания водяным паром
93
Поэтому вакуумные системы пневмотранспорта являются более предпочтительными по сравнению с системами, работающими под давлением.
К специфическим источникам зажигания в системах пневмотранспорта относятся разряды статического электричества (особенно при транспортировке по трубам из неметаллических материалов), механические искры удара лопастей вентилятора о корпус, самовозгорание отложений пыли. В качестве мер пожарной профилактики предусматривается заземление электропроводящих элементов оборудования, исключение образования искр удара и самовозгорания отложений пыли.
Пневмотранспортные системы весьма опасны в отношении рас- пространения и развития пожара, так как по горючим смесям взвешенной пыли пламя распространяется особенно быстро. Отложения пыли на стенках воздуховодов также способствуют развитию пожара. Поэтому с целью ограничения распространения пожара устраивают на коммуникациях специальные пожарные заслонки с ручным или автоматическим приводом, а также устанавливают разрывные мембраны для сброса давления в случае взрыва. Циклоны рекомендуется размещать снаружи здания, в местах, где возможный взрыв не может причинить ущерба.
Для разработки мероприятий по защите систем пневмотранспорта конкретных горючих веществ, следует знать скорость распространения пламени, длительность выгорания отложений, температурные показатели, а также другие данные, которые получают путем специальных исследований.
Результаты этих исследований используются при проектировании автоматической защиты пневмотранспортных коммуникаций от распространения пламени.
Контрольные вопросы:
1. Классификация устройств транспортировки твердых веществ.
2. Предназначение элеватора.
3. Что предусматривают меры пожарной профилактики при
транспортировке твердых веществ и материалов?
4. Что представляет из себя пневматический транспорт?
Тема 15. Пожарная безопасность процессов нагревания и охлаждения
94
К тепловым процессам относятся нагревание, охлаждение, испарение и конденсация; первые два процесса протекают без изменения агрегатного состояния вещества, два других - с изменением агрегатного состояния вещества.
Тепловые явления, как правило, сопутствуют химическим превращениям и физическим изменениям веществ. Ускорение многих химических реакций осуществляется путем нагревания реагирующих веществ. Нагревание осуществляется при проведении процессов перегонки и выпаривания, плавления, уменьшения вязкости, ректификации, сушки. Поэтому в любой отрасли промышленности специалист пожарной безопасности обязательно встретится с тепловыми процессами и аппаратурой, в которой они осуществляются.
В тепловых процессах взаимодействует не менее двух сред, (с различными температурами), которые называют теплоносителями. Наиболее нагретую среду называют горячим теплоносителем или нагревающим агентом, менее нагретую - холодным теплоносителем или охлаждающим агентом (хладагентом).
Теплоносители, применяемые для нагревания, классифицируют следующим образом:
- прямые источники тепла (пламя и топочные газы, образующиеся при сжигании в топках печей твердого, жидкого или газообразного топлива;
электрический ток);
- промежуточные теплоносители (водяной пар, горячая вода, нагретый воздух);
- высокотемпературные теплоносители (органические жидкости,
расплавленные соли, жидкие металлы, минеральные масла и др.);
- горячие продукты производства (полупродукты, конечные продукты и отходы производства, отводимые из аппаратов с достаточно высокой температурой).
Для охлаждения веществ до температур 10...30 °С чаще всего используют воду и воздух, как наиболее доступные и дешевые охлаждающие агенты.
Охлаждение до более низких температур производят путем применения льда и специальных холодильных агентов, представляющих собой пары низкокипящих жидкостей (например, аммиака), сжиженные газы (углекислый газ, этан и др.) и холодильные рассолы. Многие хладагенты являются горючими веществами и отличаются пожароопасностью.
При определении пожарной опасности технологических процессов нагревания горючих веществ должно учитываться следующее:
пожаровзрывоопасные свойства нагреваемых веществ; величина их рабочей температуры; способ нагревания. Основные способы нагревания горючих веществ - нагревание водяным паром и горячими продуктами производства;
нагревание пламенем и топочными газами; нагревание высокотемпературными теплоносителями.
95
1. Классификация процессов нагревания и охлаждения веществ и материалов
Рисунок 15.1. Конденсатоотводчики с поплавком:
1 - корпус; 2 - стакан; 3 - штуцер; 4 - седло клапана;
5 - труба для выдавливания конденсата; 6 - запирающий шток
Рисунок 15.2. Схема подогрева острым водяным паром:
1 - линия водяного пара; 2 - обратный клапан; 3 - манометр; 4 - регулятор температуры;
5 - обогреваемая жидкость; 6 - термобаллон (датчик); 7 - барботер;
8 - регулятор расхода; 9 - линия спуска конденсата
Водяной пар является самым распространенным горячим теплоносителем (нагревающим агентом). Обычно применяют насыщенный водяной пар при давлении 0,5..0,2 МПа, что позволяет осуществлять нагревание веществ до 180°С.
Если водяной пар вводится непосредственно в нагреваемую среду и смешивается с ней, говорят о нагревании «острым» паром. Если пар не соприкасается с нагреваемой средой, а теплопередача ют пара к среде идет через разделяющую стенку, говорят о нагревании «глухим» паром.
Нагревание острым паром. Пар вводят через барботер непосредственно в нагреваемую жидкость. При этом он конденсируется и конденсат смешивается с нагреваемой жидкостью. Их температуры выравниваются. Отсюда ясно, что острый пар можно использовать лишь в тех случаях, когда допустимо смешение нагреваемой среды с конденсатом. При использовании острого пара одновременно с нагреванием происходит интенсивное перемешивание вещества, что иногда необходимо по технологическим соображениям. Часто острый пар применяют для продувки аппаратов с целью освобождения их от остатков горючей жидкости и ее паров.
96
Аппараты для нагрева острым паром (рисунок 15.2) имеют трубу с отверстиями, выходя из которых пар барботирует через жидкость. Такие трубы называют барботерами.
При оценке пожарной опасности процесса нагревания горючих веществ острым паром необходимо учитывать прежде всего температуру нагревания.
Если температура нагревания горючей жидкости будет находиться в пределах воспламенения, в аппарате будет образовываться горючая концентрация паров.
Следует учитывать и давление в аппарате. При этом возможны два нежелательных случая. Первый случай. При подаче водяного пара давление в аппарате повышается и может превзойти допустимый уровень. Чтобы исключить это явление, применяют автоматические регуляторы расхода пара.
Второй случай. Давление водяного пара становится меньше давления в аппарате. Тогда нагреваемая жидкость будет передавливаться в паровую линию и далее - в паровой котел. Чтобы исключить это явление, применяют обратные клапаны.
Нагревание глухим паром. Этот способ наиболее распространен. Для его осуществления применяются специальная теплообменная аппаратура или теплообменники, в которых пар, конденсируясь, отдает свое тепло нагреваемому веществу путем теплопередачи через разделяющую стенку (теплообменную поверхность). Во избежание непроизводительного расхода пара и беспрепятственного удаления конденсата (без выпуска пара) применяют специальные устройства - конденсатоотводчики. На рисунке 15.1 показан конденсатоотводчик с открытым поплавком. Работает он следующим образом.
Смесь пара и конденсата поступает из теплообменника через штуцер 3.
Поплавок (стакан) 2 всплывает, и клапан 4 закрывает выходные отверстия для конденсата. Конденсат накапливается и переливается через край внутрь стакана. По мере наполнения конденсатом плавучесть поплавка уменьшается, он опускается и открывает клапан для выхода конденсата, который выдавливается давлением пара через трубку 5. После удаления части конденсата из поплавка 2 последний снова всплывает и закрывает выходное отверстие.
Рисунок 15.3. Кожухотрубчатый теплообменник:
1 - патрубок; 2 - крышка; 3- корпус; 4 - теплообменные трубки; 5 - трубные решетки;
6 - прокладки; 7 - перегородки; 8 - фланцы
97
Рисунок 15.4. Схемы теплообменников с температурными компенсаторами:
а - с плавающей головкой; б - с изогнутыми трубками; в - с линзой на корпусе;
1 - корпус;2 - плавающая головка; 3 - изогнутые трубки; 4 - линза
Наибольшее распространение для проведения теплообменных: процессов получили кожухотрубчатые теплообменники. Из общего объема применяемой теплообменной аппаратуры на их долю приходится более 80%. В них производят нагревание (тогда их называют подогревателями), охлаждение (холодильники), конденсацию (конденсаторы), испарение (испарители или кипятильники). При нагревании веществ в кожухотрубчатых теплообменниках в качестве теплоносителей можно использовать пар, горячую воду, горячие продукты производства (жидкие, газообразные и парообразные), высокотемпературные теплоносители. Кожухотрубчатые теплообменники бывают четырех типов: ТН, ТЛ, ТУ и ТТ.
Устройство кожухотрубчатого теплообменника типа ТН (с не- подвижными решетками) показано на рисунке 15.3. Аппарат имеет ме- таллический кожух (корпус) 3, к которому привариваются две трубные решетки 2. Трубки 1 с помощью развальцовки, отбортовки или сварки прочно и герметично закрепляются в трубных решетках. Две крышки 4 крепятся к корпусу с помощью болтов. Для ввода и вывода теплоносителя и нагреваемого продукта привариваются четыре патрубка 6. В межтрубном пространстве могут размещаться перегородки 5 для интенсификации теплообмена. Тепло- обменники ТН выпускаются в горизонтальном и вертикальном исполнениях, бывают одно, двух-, четырех- и шестиходовыми по трубному пространству, с перегородками и без перегородок в межтрубном пространстве. Эти аппараты применяются при сравнительно малой разности температур между кожухом и пучком труб (до 50 градусов) в тех случаях, когда нет необходимости в меха- нической чистке межтрубного пространства.
Кожухотрубчатые теплообменники типа ТЛ отличаются от аппаратов ТН наличием на кожухе линзового компенсатора
(рисунок 15.4, в), который позволяет вести процесс нагрева при разности температур между кожухом и пучком труб, превышающей: 50 градусов.
98
Кожухотрубчатые теплообменники типа ТП имеют подвижную (плавающую) головку, что позволяет компенсировать температурные напряжения (рисунок 15.4 а).
Кожухотрубчатые теплообменники типа ТУ имеют U-образные трубы, которые также выполняют функцию компенсирующих устройств (рисунок 15.4б).
Теплообменники типа ТТ («труба в трубе») в трубном пучке имеют одну трубу (поэтому их иногда называют двухтрубчатыми). Они позволяют применять высокие скорости движения теплоносителей в трубном и межтрубном пространствах. Для увеличения поверхности теплообмена их соединяют в параллельные секции с помощью так называемых «калачей»
(рисунок 15.5).
Рисунок 15.5. Схема теплообменника типа «труба в трубе»:
1 - внутренняя труба; 2 - наружная труба; 3 - «калачи»; I и II -теплоносители
При нормальной работе кожухотрубчатых теплообменников весь объем трубного и межтрубного пространства полностью заполнен теплоносителем и нагреваемым продуктом. Нагреваемые горючие газы и пары, а также газообразные или парообразные теплоносители не содержат кислорода или других окислителей. Следовательно, внутри аппарата взрывоопасных концентраций быть не может и пожарной опасности нет.
Однако пожарная опасность может возникнуть из-за разгерметизации соединений и образования неплотностей в результате повреждений отдельных узлов теплообменников. В зависимости от места повреждения и соотношения давлений могут быть различные случаи создания пожарной опасности.
Первый случай. Из аппарата выходит наружу горючая жидкость. В результате ее растекания и испарения могут образоваться местные горючие концентрации. Это происходит, когда жидкость нагрета выше температуры вспышки. При выходе из аппарата горючих паров или газов также может иметь место загазованность с образованием горючих концентраций.
Второй случай. Нагреваемый продукт попадает в теплоноситель. Если в качестве теплоносителя применяется водяной пар, то при попадании в него нагреваемого горючего продукта (когда давление продукта больше давления
99
пара) последний может пройти в паровой котел или в канализацию, что сопряжено с опасностью образования горючей среды.
Третий случай. Теплоноситель (пар) попадает в нагреваемый продукт.
Это может произойти, когда давление пара больше давления нагреваемого продукта. В результате продукт обводняется и может стать опасным для последующих технологических операций. Так, при поступлении обводненного продукта в высоконагретый аппарат вода мгновенно вскипает, давление резко повышается и может превысить допустимый уровень.
Основные причины разгерметизации соединений, появления неплотностей и повреждений: образование повышенного давления;
возникновение температурных напряжений и воздействие коррозии.
Повышение давления в теплообменном аппарате возможно при росте подачи нагреваемого продукта, при увеличении гидравлического сопротивления аппарата или трубопровода, находящегося за ним, а также при вскипании жидкого продукта. Повышение давления возможно также при увеличении подачи теплоносителя.
При эксплуатации теплообменников-подогревателей необходимо осуществлять строгий контроль за состоянием их теплообменной поверхности, так как при длительной эксплуатации теплообменные поверхности загрязняются, подвергаются коррозии за счет обращающегося продукта и за счет теплоносителя. Эти загрязнения и отложения резко ухудшают теплообмен.
Практикой эксплуатации подогревателей установлено, что при наличии накипи толщиной 5 мм коэффициент теплопередачи снижается на 40...50%.
2. Пожарная безопасность процессов нагревания водяным паром
Очистка теплообменной поверхности производится механическим или химическим способом с применением слабых растворов щелочей, кислот и других реагентов.
Наличие в водяном паре воздуха и других неконденсирующихся газов и накапливание их в теплообменном аппарате ведет к ухудшению процесса теплопередачи.
Неконденсирующиеся газы из парового пространства теплообменника следует отводить (например, периодически осуществлять сброс пара из теплообменника).
В теплообменниках типа ТН возможно возникновение значительных температурных напряжений. Большие внутренние напряжения могут привести к деформации элементов аппарата, нарушить плотность его развальцовки и герметичность систем.
Существуют два пути снижения температурных напряжений:
а) уменьшение разности температур между корпусом и трубками. Это достигается поддержанием постоянного температурного режима, медленным разогревом и охлаждением теплообменника при остановке и пуске, одновременным пуском теплоносителя и нагреваемого продукта.
100
Теплоизоляция корпуса теплообменника также способствует решению этой задачи;
б) обеспечение независимых деформаций корпуса и пучка трубок. Это достигается использованием температурных компенсаторов, которые могут быть (см. рис.) в виде «плавающей головки» (теплообменники типа ТП), U- образных трубок (теплообменники типа ТУ), линз на кожухе (теплообменники типа ТЛ). Компенсацию температурных напряжений обычно применяют тогда, когда разность температур между кожухом и пучком труб превышает 50 градусов.
Если рабочую температуру в теплообменнике хотят повысить, температурное воздействие должно компенсироваться снижением рабочего давления. Для теплообменников из углеродистой стали соотношения между допустимыми значениями давления и температурой в аппаратах показаны в таблице 15.1.
Таблица 15.1.
Условное давление, МПа
Давление при гидравлическом испытании, МПа
Допустимое давление (МПа) при tР °С
200 250 300 350
1,6 2,0 1,6 1,5 1,3 1,2
2,5 3,2 2,5 2,3 2,0 1,8
4,0 5,0 4,0 3,7 3,3 4,5
6,4 8,0 6,4 5,6 5,0 4,5
Нагреваемое горючее вещество может выйти наружу при вскрытии аппарата, не полностью освобожденного от продукта. Продукт и теплоноситель могут выйти наружу и в случае образования неплотностей во фланцевых соединениях штуцеров и крышек. При этом продукт разливается по полу (площадке), пропитывает теплоизоляцию, загрязняет трубопровод, арматуру и т. п. Чтобы избежать этих нежелательных явлений и быстрее ликвидировать по- следствия, предусматривают ряд мероприятий: контроль за герметичностью соединений; полное удаление горючей жидкости из аппарата перед остановкой на ремонт; очистку и продувку межтрубного и трубного пространства водяным паром; замену пропитанной горючими веществами теплоизоляции; размещение теплообменников на открытых площадках с твердым покрытием и уклонами для смывания водой разлившегося продукта; ограждение площадки сплошным бортиком для ограничения растекания разлившейся горючей жидкости (высота бортика должна быть не менее 0,15 м); оборудование теплообменников системами подачи пены или водяного пара для тушения возникшего пожара.
Охлаждение горючих жидких и газообразных продуктов осуществляется также в кожухотрубчатых теплообменниках (холодильниках). При этом в качестве охлаждающих агентов используют атмосферный воздух, речную воду и воду из артезианских скважин, холодильные рассолы, сжиженные газы, пары низкокипящих жидкостей, атмосферный воздух, речную воду и воду из артезианских скважин, холодильные рассолы, сжиженные газы, пары низкокипящих жидкостей.
101
Контрольные вопросы:
1. Что относится к тепловым процессам?
2. Классификация теплоносителей, применяемых для нагревания.
3. Виды нагревания водяным паром.
4. Методы снижения температурных напряжений.
5. Что используют в качестве охлаждающих агентов при процессе охлаждения?
Занятие 15-2. Пожарная безопасность процессов нагрева открытым